Actualizado a: 19 de enero de 2024
La computación óptica es otro importante salto en el que ya muchos se están fijando. Llevan tiempo lanzando patentes al respecto, y algunas son bastante interesantes. Para que conozcas más de cerca qué es esto de la computación óptica y cómo podría ayudar a mejorar el rendimiento de los actuales ordenadores, vamos a verlo con todo detalle…
Luz vs electricidad
Antes de comenzar, hay que tener en cuenta las diferencias entre la luz y la electricidad:
Luz
La luz es un tipo de radiación electromagnética y que está compuesta por fotones, un tipo de partícula elemental que carece de masa, y que se comporta de una forma dual, como onda y como partícula. Esta dualidad le da a la luz propiedades físicas peculiares.
La luz también puede viajar por conductores de luz, como es el caso de la fibra óptica, entre otros materiales translúcidos. Y a través de cualquiera de estos medios, hay que decir que estos fotones o luz puede viajar a una gran velocidad, concretamente la velocidad de la luz es de 300.000 km/s.
Además de esto, la luz puede viajar a lo largo de estos conductores sin filtrarse, a través de estos materiales que son como un espejo, y que pueden ser vidrio o plástico. Además, para evitar que la luz se disperse, se usa un núcleo del cable con un revestimiento especial. Esto puede hacer que la señal pueda viajar incluso a distancias de kilómetros sin pérdidas.
Electricidad
La electricidad es una serie de fenómenos físicos relacionados con la presencia o el flujo de cargas eléctricas, como son los electrones. Cuando nos imaginamos un circuito, tenemos que tener presente que no es más que una serie de conductores a través de los cuales pasa un chorro de electrones.
Estos electrones pueden colisionar con los átomos y generar fricción y calor, por lo que existen pérdidas, y esto hace que no puedan viajar a largas distancias, o al menos no de forma tan sencilla como la luz.
Por otro lado, hay que destacar otro factor importante, y es que la velocidad que alcanza la electricidad a través de estos conductores es muy inferior a la de la luz. Por ejemplo, si se tiene en cuenta una corriente de 10 A por milímetro cuadrado, como en las instalaciones de una vivienda comunes, la velocidad a la que viaja por el cable es de al rededor de 1 mm/s.
Puedes pensar que es muy lento, y que entonces por qué cuando pulsas un interruptor se enciende la bombilla inmediatamente. Pues bien, esto es debido a que los electrones que componen la corriente eléctrica se encuentran presentes a lo largo de todo el cable o conductor. Por ejemplo, una analogía para que lo entiendas mejor sería un tubo lleno de canicas, si empujas la primera, inmediatamente tiene un efecto en la última…
¿Qué es la computación óptica?
La computación óptica es un nuevo paradigma que emplea la fotónica como base para transportar la información. Esto, como has visto en el anterior apartado, puede hacerlo de una forma más rápida, además de permitir mayores anchos de banda para transmitir esta información. Algo que traería un importante avance en el rendimiento, y evitaría algunos cuellos de botella para el desarrollo de la IA.
La idea es la misma que cuando se sustituyeron el cableado de cobre telefónico por la fibra óptica, consiguiendo una línea de mayor ancho de banda y velocidades. Pues esto mismo se quiere hacer ahora también a nivel de los circuitos, tanto los circuitos impresos como los circuitos integrados.
Además, crear estos sistemas con la optoelectrónica es bastante sencillo. Tan solo hay que usar materiales que puedan conducir la luz en sustitución de las actuales líneas de conductores eléctricos, y en cada origen y destino de los bits transmitidos, un sistema optoelectrónico que pueda transformar la luz en corriente o viceversa.
Por ejemplo, imagina el tremendo problema actual del ancho de banda y la latencia entre la CPU y la memoria RAM. Pues bien, ya se han estado desarrollando sistemas para comunicar con luz estas dos piezas clave en el rendimiento de la máquina. De esta forma, los datos viajarían en forma de luz desde un lado al otro.
Ventajas y desventajas
Este tipo de computación óptica tiene sus ventajas, por supuesto, pero también sus desventajas. Veamos algunas de ellas, comenzando por las ventajas:
- Se puede aprovechar algoritmos usados para el reconocimiento de patrones para el procesamiento de señales ópticas.
- Puede ser un procesamiento más barato en términos de consumo eléctrico, es decir, más eficiente que usar señales eléctricas.
- También resulta más rápido que los componentes electrónicos.
- Puede aprovechar mejor el paralelismo con un ancho de banda superior, de forma similar a lo que sucede actualmente en redes con la fibra óptica.
En cuanto a las desventajas:
- Son sistemas más caros.
- No son tan fáciles de implementar.
- Necesitan cambios importantes para adaptarlos.
Tipos de sistemas ópticos
Dentro de la computación óptica podemos tener varios tipos:
- Computación óptica pura: es un sistema más avanzado, caro y complejo, ya que solo se emplea óptica para todo, incluido para los núcleos de procesamiento, y para la memoria, que usarán luz en vez de las tradicionales señales eléctricas. Esto puede hacerse mediante interconexiones y dispositivos semiconductores ópticos para poder usar luz IR, LED, o láser. Según algunos datos, la potencia de estos ordenadores se podría multiplicar hasta por 10.
- Computación óptica híbrida: estos otros sistemas son híbridos, como el ejemplo mostrado anteriormente con la CPU y la RAM, es decir, mientras los módulos RAM y la CPU siguen usando internamente señales eléctricas, lo que se hace es mejorar el bus o canal entre ellas usando este tipo de óptica, solo que en este caso habrá que agregar conversores tanto en un lado como en otro, para que puedan transformar luz en electricidad y viceversa.
Algunos investigadores ya trabajan en el desarrollo de procesadores ópticos y memorias. En vez de los tradicionales semiconductores, emplean diminutos LEDs que irradian diferentes tipo de luz, como los citados anteriormente. De esta forma, se puede interpretar el sistema binario, de forma similar a lo que sucedía cuando se grababa o reproducía un CD/DVD.
No obstante, hay que decir que estos sistemas no se encuentran demasiado avanzados actualmente, por lo que es probable que veamos sistemas híbridos en un futuro no demasiado lejano, pero que los puros los tardemos en ver o simplemente sean sustituidos por otro paradigma de la computación…
Sin embargo, los fotones han demostrado ser más ágiles y veloces que los electrones, por lo que podría ser un caso interesante que deberíamos analizar su progresión en los próximos años.
Además, por otro lado, hay que decir que podría ser un buen paso intermedio entre la computación actual y la computación cuántica. Ya que es probable que se avance más en la primera que en la segunda a corto plazo, y es más fácil comprender lo que sucede en un ordenador óptico que en uno cuántico, así como que serviría todas las leyes y teoría actuales, y no habría que cambiarlo todo como ocurre con la cuántica.
Por otro lado, la computación cuántica necesita de refrigeraciones muy potentes, o de sofisticados sistemas para funcionar de forma correcta, mientras que la óptica podría funcionar con los equipos convencionales que ahora tenemos en casa.
Por otro lado, los últimos avances en fotónica demuestran que es posible realizar cálculos más eficaces a través de dispositivos ópticos, y esto podría ser especialmente beneficioso para los centros de datos y HPC, donde las cantidades de energía consumidas ahora son muy elevadas, y donde esta computación óptica más eficiente y sin tantas pérdidas de energía, podría resultar muy positiva.
Presente y futuro
Hay que decir que las tecnologías ópticas actuales se están centrando especialmente en la mejora de la computación paralela, además de en áreas como el almacenamiento de datos, las redes de alta velocidad y alto ancho de banda, la biometría, y otros dispositivos.
Por ejemplo, en Japón, la empresa NTT está construyendo un enorme ordenador óptico que albergará cinco kilómetros de fibra óptica. Un supercomputador que podrá realizar tareas complejas sustituyendo las redes eléctricas por ópticas. Esto podría tener interesantes aplicaciones en el tema de la IA y las redes neuronales para el aprendizaje automático, con señales más rápidas, sin tanto ruido, y con otras muchas ventajas.
Se trata de una máquina de Turing óptica, que no es fácil de fabricar, ya que necesita nanofotónica avanzada para crear todos los elementos, además de una serie de elementos adicionales como filtros, etc.
Otro importante avance llegó desde el MIT, en 2013, cuando la profesora Carolyn Ross mostró los resultados de un trabajo de investigación donde había creado un chip totalmente óptico, que empleaba fotones en lugar de electricidad y que se basaba en silicio, por lo que se podía fabricar con técnicas de semiconductores actuales. No obstante, como he dicho, es un campo aún en una etapa de desarrollo muy temprana, y a todo esto aún le faltan muchas piezas que encajar para ser realmente un ordenador óptico puro…
